Ficha Técnica da Série ELM8XL-G de Fotocoplador - Pacote SOP 5 Pinos - Alimentação 3.3V/5V - Velocidade 15MBit/s - Documentação Técnica em Português

1. Visão Geral do Produto

A Série ELM8XL-G representa uma família de fotocopladores (isoladores ópticos) de saída de porta lógica de alta velocidade, projetados para aplicações modernas de isolamento digital. A função principal deste dispositivo é fornecer isolamento galvânico entre os circuitos de entrada e saída, transmitindo sinais lógicos digitais em alta velocidade. Ele integra um diodo emissor de luz infravermelha (LED) no lado da entrada, que é acoplado opticamente a um circuito integrado detector CMOS no lado da saída. Este método de acoplamento óptico elimina a conexão elétrica, fornecendo alto isolamento de tensão e imunidade a ruídos, o que é crucial em sistemas com diferentes potenciais de terra ou em ambientes elétricos ruidosos.

O dispositivo é encapsulado em um pacote de montagem em superfície (SOP) compacto de 5 pinos, tornando-o adequado para processos de montagem automatizados e projetos de PCB com espaço limitado. Seu objetivo principal de projeto é facilitar a transmissão de dados confiável e de alta velocidade através de barreiras de isolamento, servindo como um substituto direto para transformadores de pulso em muitas aplicações, oferecendo vantagens em tamanho, custo e integração.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

A Série ELM8XL-G oferece várias vantagens-chave que definem sua posição no mercado. A primeira é suacapacidade de alta velocidade, suportando taxas de dados de até 15 Megabits por segundo (MBit/s). Isso o torna adequado para interfaces de comunicação modernas e sinais de controle rápidos. A segunda é suacompatibilidade com tensão de alimentação dupla, funcionando corretamente com níveis lógicos CMOS de 3.3V e 5V, o que proporciona flexibilidade de projeto para sistemas com tensões mistas. A terceira é suaalta classificação de isolamentode 3750 V_rms, garantindo segurança e confiabilidade em aplicações que requerem proteção contra transientes de alta tensão ou diferenças no potencial de terra.

O dispositivo também é fabricado para atender a rigorosos padrões ambientais e de segurança. Ele élivre de halogênios(com Bromo <900ppm, Cloro <900ppm, Br+Cl <1500ppm), em conformidade com os regulamentos da UE REACH, e é livre de chumbo e compatível com RoHS. Possui aprovações das principais agências de segurança internacionais, incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO e FIMKO, o que é essencial para produtos destinados a mercados globais, especialmente em equipamentos industriais, de telecomunicações e de computação.

As aplicações-alvo são diversas e centram-se na necessidade de isolamento de sinal:

• Receptores de Linha e Transmissão de Dados:Isolamento de linhas de comunicação serial (RS-232, RS-485, etc.) para evitar loops de terra e ruídos.
• Multiplexação de Dados:Fornecimento de isolamento em sistemas de barramento de dados multiplexados.
• Fontes de Alimentação Chaveadas:Isolamento de sinais de realimentação em topologias de conversores flyback ou outros conversores isolados.
• Substituição de Transformador de Pulso:Oferecendo uma solução menor e mais integrada para isolamento de sinal, tradicionalmente feito com transformadores.
• Interfaces de Periféricos de Computador:Isolamento de sinais para/desde impressoras, I/O industriais e outros periféricos.
• Isolamento de Terra Lógico de Alta Velocidade:Separação de terras digitais entre subsistemas, como entre um microcontrolador e drivers de motor, para evitar acoplamento de ruído.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Uma compreensão completa das características elétricas e de comutação é crucial para a implementação bem-sucedida do fotocoplador ELM8XL-G em um projeto de circuito.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de estresse além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. A operação sob estas condições não é garantida e deve ser evitada.

• Corrente Direta de Entrada (I_F):Máximo de 15 mA. A corrente que aciona o LED interno não deve exceder este valor.
• Tensão Reversa de Entrada (V_R):Máximo de 5 V. A tensão reversa aplicada através do LED deve ser limitada.
• Dissipação de Potência de Entrada (P_D):Máximo de 35 mW para o lado da entrada.
• Dissipação de Potência de Saída (P_O):Máximo de 85 mW para o CI CMOS de saída.
• Corrente de Saída (I_O):Corrente de sumidouro/fonte máxima de 20 mA do pino de saída.
• Tensão de Alimentação (V_CC):Máximo de 5.5 V. Esta é a tensão máxima absoluta que pode ser aplicada ao pino de alimentação do lado da saída.
• Dissipação de Potência Total (P_T):Máximo de 100 mW para todo o dispositivo.
• Tensão de Isolamento (V_ISO):3750 V_rmspor 1 minuto. Esta é uma classificação de segurança testada sob condições específicas (pinos 1 & 3 em curto, pinos 4, 5 & 6 em curto) a 40-60% de umidade relativa.
• Temperatura de Operação (T_OPR):-40°C a +85°C. O dispositivo é garantido para atender às suas especificações publicadas dentro desta faixa.
• Temperatura de Armazenamento (T_STG):-55°C a +125°C.
• Temperatura de Soldagem (T_SOL):260°C por 10 segundos, compatível com perfis típicos de reflow sem chumbo.

Nota de Projeto:A ficha técnica especifica que a alimentação V_CCdeve ser desacoplada com um capacitor de 0.1µF ou maior (cerâmico ou tântalo sólido com boas características de alta frequência) colocado o mais próximo possível dos pinos V_CCe GND do dispositivo. Isto é crítico para a operação estável e imunidade a ruídos do estágio de saída CMOS de alta velocidade.

2.2 Características Elétricas

Estes parâmetros definem o desempenho garantido do dispositivo sob condições normais de operação (T_A=25°C, salvo indicação em contrário).

2.2.1 Características de Entrada (Lado do LED)

• Tensão Direta (V_F):Tipicamente 1.4V, com um máximo de 1.8V a uma corrente direta (I_F) de 8mA. Isto é usado para calcular o valor do resistor limitador de corrente necessário no lado da entrada: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
• Tensão Reversa (V_R):Mínimo de 5.0V. O LED pode suportar até 5V em polarização reversa.
• Coeficiente de Temperatura de V_F(ΔV_F/ΔT_A):Aproximadamente -1.7 mV/°C. A tensão direta diminui ligeiramente com o aumento da temperatura.
• Capacitância de Entrada (C_IN):Tipicamente 60 pF. Isto afeta a resposta de alta frequência do circuito de acionamento de entrada.

2.2.2 Características de Saída (Lado do CI CMOS)

• Corrente de Alimentação (I_CCH, I_CCL):Tipicamente 1.3mA, com um máximo de 6mA, quer a saída esteja em estado alto (I_F=0mA) ou baixo (I_F=8mA). Esta é a corrente quiescente consumida pelo CI de saída de V_CC.
• Tensão de Saída em Nível Alto (V_OH):Para uma alimentação de 3.3V, V_OHé garantido ser pelo menos V_CC- 1V (ou seja, 2.3V) e é tipicamente V_CC- 0.3V (3.0V) ao sumir 4mA. Para uma alimentação de 5V, é V_CC- 1V (4.0V) mín., tipicamente V_CC- 0.2V (4.8V). Isto garante níveis lógicos altos sólidos.
• Tensão de Saída em Nível Baixo (V_OL):Para uma alimentação de 3.3V, V_OLé tipicamente 0.21V com um máximo de 0.6V ao fornecer 4mA (I_F=8mA). Para uma alimentação de 5V, é tipicamente 0.17V, máx. 0.6V. Isto garante níveis lógicos baixos sólidos.
• Corrente de Limiar de Entrada (I_FT):A corrente do LED necessária para garantir uma saída em nível lógico baixo. É tipicamente 2.5mA (máx. 5mA) a V_CC=3.3V com uma carga muito leve (I_OL=20µA). O projeto deve usar um I_Fbem acima deste (por exemplo, 8mA como mostrado nas condições de teste) para comutação confiável e margem de ruído.

2.3 Características de Comutação

Estes parâmetros definem o desempenho de temporização, que é crítico para transmissão de dados de alta velocidade.

• Atraso de Propagação para Saída Alta (t_PHL):O tempo desde o desligamento do LED de entrada (I_Findo de 8mA para 0mA) até a saída atingir um nível lógico ALTO válido. Típico é 30ns (máx. 65ns) a V_CC=3.3V, e 33ns típico a V_CC=5V.
• Atraso de Propagação para Saída Baixa (t_PLH):O tempo desde o ligamento do LED de entrada (I_Findo de 0mA para 8mA) até a saída atingir um nível lógico BAIXO válido. Típico é 48ns (máx. 65ns) a V_CC=3.3V, e 52ns típico a V_CC=5V.
• Distorção de Largura de Pulso (|t_PHL– t_PLH|):A diferença absoluta entre os dois atrasos de propagação. Isto é crucial para manter a integridade das larguras de pulso. É tipicamente 20ns (máx. 50ns) a 3.3V e 22ns típico a 5V. Um valor mais baixo é melhor.
• Tempo de Subida/Descida da Saída (t_r, t_f):Tipicamente 7ns cada. Isto define a velocidade da borda do sinal de saída.
• Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMTI):Este é um parâmetro de isolamento chave. Mede a capacidade do dispositivo de ignorar transientes de tensão rápidos entre os terras de entrada e saída. Duas classes são especificadas: M80L com um mínimo de 5.000 V/µs, e M81L com um mínimo de 10.000 V/µs. Isto é testado com uma tensão de modo comum (V_CM) de pico a pico de 1000V e garante que o estado de saída não comute erroneamente devido a ruído.

3. Informações Mecânicas e de Embalagem

3.1 Configuração dos Pinos e Tabela Verdade

O dispositivo utiliza um pacote SOP de 5 pinos, embora seis números de pino sejam referenciados (1-6, sendo o pino 2 presumivelmente Não Conectado ou uma conexão interna). Os pinos funcionais são:

• Pino 1: Ânododo LED de entrada.
• Pino 3: Cátododo LED de entrada.
• Pino 4: GNDpara o CI CMOS de saída.
• Pino 5: V_OUT, o sinal de saída digital.
• Pino 6: V_CC, a tensão de alimentação (3.3V ou 5V) para o CI CMOS de saída.

O dispositivo implementa uma função deporta lógica não inversora(Lógica Positiva):

• Entrada ALTA (LED LIGADO, I_F> I_FT):Saída = BAIXO
• Entrada BAIXA (LED DESLIGADO, I_F= 0):Saída = ALTO

Esta é uma entrada de sumidouro de corrente; uma corrente deve ser fornecida ao LED para produzir uma saída baixa.

3.2 Dimensões do Pacote e Layout da PCB

A ficha técnica fornece desenhos mecânicos detalhados para o pacote SOP de 5 pinos. As dimensões-chave incluem o tamanho do corpo, o espaçamento dos terminais e a altura de afastamento. Umlayout recomendado para os padsde montagem em superfície também é fornecido. Este layout é projetado para garantir a formação confiável das juntas de solda durante a soldagem por reflow. A ficha técnica observa que estas dimensões dos pads são sugestões e podem precisar de modificação com base em processos específicos de fabricação de PCB ou requisitos térmicos, mas servem como um excelente ponto de partida para o projeto.

3.3 Marcação do Dispositivo

A parte superior do pacote é marcada com um código a laser ou tinta para identificação. A marcação segue o formato:EL M81L YWW V.

• EL:Código do fabricante.
• M81L:Número do dispositivo (específico para a classe CMTI e variante).
• Y:Código de um dígito para o ano.
• WW:Código de duas semanas.
• V:Marcação opcional indicando aprovação VDE.

4. Diretrizes de Aplicação e Considerações de Projeto

4.1 Projeto do Circuito de Entrada

O circuito de entrada deve fornecer uma corrente controlada ao LED. Um simples resistor em série é suficiente. O valor é calculado com base na tensão de acionamento e no I_Fdesejado. Por exemplo, para acionar I_F= 8mA a partir de um sinal lógico de 5V com um V_Ftípico de 1.4V: R_limit= (5V - 1.4V) / 0.008A = 450Ω. Um resistor padrão de 470Ω seria adequado. Certifique-se de que a fonte de acionamento pode fornecer a corrente necessária. Para acionar a partir de um pino GPIO de um microcontrolador, verifique a capacidade de fornecimento de corrente do pino. Se insuficiente, um buffer simples com transistor (por exemplo, um NPN ou MOSFET de canal N) pode ser necessário.

4.2 Projeto do Circuito de Saída

A saída é uma saída digital CMOS padrão. Pode acionar diretamente entradas CMOS, TTL ou LVCMOS. Os requisitos-chave são:

1. Desacoplamento da Fonte de Alimentação:Como enfatizado na ficha técnica, um capacitor cerâmico de 0.1µF deve ser colocado diretamente entre o Pino 6 (V_CC) e o Pino 4 (GND). Isto é inegociável para operação estável de alta velocidade e prevenção de ruído na saída.
2. Considerações de Carga:A saída pode sumir/fornecer até 20mA, mas para melhor velocidade e integridade do sinal, as cargas devem ser principalmente capacitivas (por exemplo, a capacitância de entrada de outra porta). Acionar cargas resistivas pesadas ou trilhas longas aumentará os tempos de subida/descida e pode afetar as margens de temporização.
3. Resistores de Pull-up:Não são necessários, pois a saída aciona ativamente tanto os estados alto quanto baixo.

4.3 Considerações de Velocidade e Temporização

Para uma taxa de dados de 15 MBit/s, o período de bit é aproximadamente 66.7ns. O atraso total do sinal através do fotocoplador é a soma de t_PLHou t_PHLmais uma parte do tempo de subida/descida. Com atrasos típicos em torno de 30-50ns, há margem adequada para esta taxa de dados. No entanto, adistorção de largura de pulsoé importante. Uma distorção de 20ns significa que um pulso será estreitado ou alargado por essa quantidade após passar pelo isolador. Para pulsos muito estreitos, isso poderia fazê-los desaparecer se a distorção for maior que a largura do pulso. Sempre considere os valores máximos, não os típicos, para projetos críticos em temporização.

4.4 Isolamento e Projeto de Segurança

A classificação de isolamento de 3750V_rmsé um requisito de segurança. Para manter esta classificação no produto final, o layout da PCB é crítico. Certifique-se de que as distâncias decreepage e clearancena PCB entre todos os traços/componentes do lado da entrada e todos os traços/componentes do lado da saída atendam ou excedam os requisitos para a tensão de isolamento de trabalho do sistema (que é menor que a tensão de teste de 3750V_rms). Isto frequentemente significa incorporar um slot largo ou barreira na PCB sob o pacote do fotocoplador. Consulte os padrões de segurança relevantes (por exemplo, IEC 60950, IEC 61010) para requisitos de distância específicos com base na tensão, grau de poluição e grupo de material.

5. Informações de Pedido e Embalagem

O número da peça segue a estrutura:ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL:Número da peça base.
• (Z):Opção de fita e carretel. Pode ser "TA", "TB" ou omitido para embalagem em tubo.
• -V:Sufixo opcional denotando que a aprovação VDE está incluída.

Opções de Embalagem:

• Tubo:100 unidades por tubo. Padrão para montagem manual ou de baixo volume.
• Fita e Carretel (TA ou TB):3000 unidades por carretel. "TA" e "TB" provavelmente referem-se a diferentes tamanhos de carretel ou larguras de fita (por exemplo, 8mm vs. 12mm). Esta opção é para montagem automatizada pick-and-place.

A ficha técnica inclui especificações detalhadas de fita e carretel, incluindo dimensões dos compartimentos (A, B, D0, D1), passo (P0, P1, P2), espessura da fita (t) e largura do carretel (W). Estas dimensões são essenciais para programar o alimentador em uma máquina de montagem automatizada.

6. Curvas de Desempenho e Características Típicas

Embora o excerto do PDF mencione "Curvas Típicas de Características Eletro-Ópticas", os gráficos específicos não estão incluídos no texto fornecido. Normalmente, tais fichas técnicas incluem curvas mostrando:

• Corrente Direta (I_F) vs. Tensão Direta (V_F):Mostra a característica tipo diodo do LED de entrada em diferentes temperaturas.
• Taxa de Transferência de Corrente (CTR) vs. Corrente Direta:Embora seja um dispositivo digital, uma forma de CTR existe - a relação entre I_Fe o estado de saída resultante. A corrente de limiar I_FTé o parâmetro chave.
• Atraso de Propagação vs. Tensão de Alimentação (V_CC):Como os parâmetros de temporização mudam com V_CC.
• Atraso de Propagação vs. Temperatura:Como os parâmetros de temporização mudam ao longo da faixa de temperatura de operação.
• Corrente de Alimentação (I_CC) vs. Temperatura:Variação da corrente quiescente com a temperatura.

Os projetistas devem usar osvalores mínimos e máximosdas tabelas para um projeto robusto, usando as curvas típicas apenas para entender tendências e comportamentos.

7. Comparação e Contexto Tecnológico

O ELM8XL-G está em uma categoria de fotocopladores digitais de alta velocidade. Comparado a fotocopladores mais antigos com saídas de transistor ou Darlington, sua saída de porta lógica CMOS fornece velocidades de comutação muito mais rápidas, bordas mais nítidas e níveis lógicos bem definidos. Comparado a transformadores de pulso, oferece uma pegada menor, capacidade de acoplamento DC (transformadores não podem passar sinais DC) e frequentemente custo mais baixo. Comparado a tecnologias de isolamento mais novas, como isoladores capacitivos (isoladores digitais) ou isoladores de magnetorresistência gigante (GMR), fotocopladores como o ELM8XL-G oferecem a vantagem de confiabilidade comprovada, força de isolamento intrínseca muito alta e imunidade a campos magnéticos. A compensação é geralmente velocidade mais lenta e maior consumo de energia (devido à corrente de acionamento do LED) do que os isoladores baseados em semicondutores mais recentes. A escolha depende dos requisitos específicos da aplicação para velocidade, potência, custo e imunidade a ruídos.

8. Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Posso usar isso com um sinal de entrada de 3.3V para acionar o LED?

R: Sim, mas você deve recalcular o resistor limitador de corrente. Para um acionamento de 3.3V e V_F~1.4V, para obter I_F=8mA, R = (3.3V - 1.4V) / 0.008A = 237.5Ω. Use um resistor de 240Ω. Certifique-se de que a fonte de 3.3V pode fornecer 8mA.

P: Qual é a diferença entre as versões M80L e M81L?

R: A diferença principal é a Imunidade a Transientes de Modo Comum (CMTI). A versão M81L garante um mínimo de 10.000 V/µs, enquanto a M80L garante 5.000 V/µs. Escolha a M81L para ambientes mais ruidosos, como acionamentos de motor ou sistemas de energia industriais.

P: É necessário um resistor de pull-up externo na saída?

R: Não. A saída é um estágio CMOS push-pull ativo que aciona tanto os níveis alto quanto baixo. Um pull-up externo é desnecessário e apenas aumentaria o consumo de energia.

P: Como garantir que a alta classificação de isolamento seja mantida no meu projeto de PCB?

R: Você deve manter distâncias adequadas de creepage (distância ao longo da superfície) e clearance (gap de ar) entre todos os condutores do lado da entrada e todos os condutores do lado da saída. Isto tipicamente requer um gap físico ou slot na PCB sob o corpo do fotocoplador. As distâncias específicas dependem da tensão de trabalho da sua aplicação e dos padrões de segurança que ela deve atender.

P: O pino de saída (5) pode ser conectado diretamente à entrada de outro dispositivo, ou preciso de um resistor em série?

R: Pode ser conectado diretamente. A saída é projetada para acionar entradas digitais padrão. Um resistor em série geralmente não é necessário e retardaria as bordas do sinal.